0 引言
建基岩体质量好坏在高拱坝结构的安全稳定保证中，尤其是在特高拱坝的长期安全稳定保证中起主要控制作用[1]。特高拱坝的大坝及基础长期承受上千万吨水荷载及复杂的渗流作用，各类物理和化学损伤过程会不断发生、发展，当损伤累积到一定程度时，如果遭遇到强震、强暴雨、近坝库岸滑坡涌浪的冲击等荷载，有可能导致大坝开裂、基础滑移以至整体失稳破坏[2]。
自法国马尔帕赛拱坝和意大利瓦依昂拱坝失事后，高拱坝稳定性问题一直是国内外关注的热点问题[3]。拱坝建在基岩上，大坝是基岩的上部结构，作为坝基的基岩，一方面需承受大坝本身的荷载，另一方面又要承受由大坝传来的水压力、泥沙压力等，并传向深部岩体。坝肩岩体在拱坝推力作用下不能产生压裂破坏，同时不能产生过度的压缩变形而导致大坝被拉裂[4]。拱坝，特别是特高拱坝，水荷载巨大，大坝传递至坝基的应力水平高，对坝基岩体质量要求可见一斑。对于可行性研究和招标阶段的大坝建基面，需在技施开挖阶段进行检验和复核，在施工期，及时全方位地对高坝基础岩体的质量进行评价极其关键[5]。
本文以金沙江乌东德水电工程为例，结合乌东德工程层状地层的特点，从工程地质条件研究入手，通过总结各级岩体工程地质特征、声波特征等，建立建基岩体质量评价标准，对开挖揭露的建基岩体进行质量分级，以期为类似工程提供借鉴，亦为大型水电工程建基岩体质量研究积累经验。
1 工程概况与基本地质条件 1.1 工程概况在建乌东德水电站是金沙江下游河段4个梯级中的第一个梯级电站，为一等大(Ⅰ)型工程，工程开发任务以发电为主，兼顾防洪。电站装机容量10 200 MW，年发电量389.3亿kWh。设计采用混凝土双曲拱坝，拱坝坝顶高程988 m，建基面最低高程718 m，最大坝高270 m，属特高拱坝[6-7]。
1.2 基本地质条件拱坝所处河段河流流向约160°SE。拱肩槽所处自然边坡地形坡度一般为70°~80°，为悬坡地形。大坝建基面出露地层岩性为前震旦系中元古界落雪组第三段第一亚段(Pt2l3-1)厚层及中厚层灰岩、厚层大理岩局部夹少量薄层及互层状灰岩；其次为落雪组第三段第二亚段(Pt2l3-2)厚层白云岩、中厚层夹互层灰岩、中厚层石英岩；少量为落雪组第三段第三亚段(Pt2l3-3)互层夹薄层灰岩。岩层产状走向一般75°~108°、倾向165°~198°、倾角65°~86°，即近横河向展布，陡倾下游偏右岸。断层不发育，裂隙绝大多数短小，且以硬性结构面为主。拱座岩体卸荷作用微弱，风化作用不明显，整体微新，岩溶总体不发育。
以室内试验成果为基础，根据《水力发电工程地质勘察规范》(GB50287-2006)[8]“附录D岩土物理力学性质参数取值”的规定，将岩石的密度和饱和单轴抗压强度采用试验成果的算术平均值作为标准值；以现场刚性承压板法试验值的平均值作为标准值，参考类似工程经验，确定岩体变形模量参数；以抗剪断峰值强度小值平均值作为标准值，参考国标、同类工程经验，综合考虑坝址区地质条件，确定岩体抗剪强度。建基岩体主要岩体物理力学参数取值见表 1。
| 地层 | 卸荷状态 | 岩体质量分级 | 容重/(kN/m3) | 饱和抗压强度/MPa | 变形模量/GPa | 泊松比 | 摩擦系数 | 黏聚力/MPa |
| 左岸Pt2l3-1, Pt2l3-3 | 非卸荷 | Ⅱ1 | 26.9 | 95 | 27.5 | 0.22 | 1.50 | 1.90 |
| 微卸荷 | Ⅱ2 | 85 | 22.5 | 0.24 | 1.30 | 1.60 | ||
| 弱卸荷 | Ⅲ2 | 60 | 7.5 | 0.29 | 0.90 | 0.85 | ||
| 右岸Pt2l3-1 | 非卸荷 | Ⅱ2 | 27.1 | 85 | 22.5 | 0.24 | 1.30 | 1.60 |
| 微卸荷 | Ⅲ1 | 80 | 20.0 | 0.25 | 1.10 | 1.30 | ||
| 弱卸荷 | Ⅲ2 | 60 | 7.5 | 0.29 | 0.90 | 0.85 | ||
| Pt2l3-2 | 非卸荷 | Ⅲ1 | 27.2 | 70 | 16.0 | 0.26 | 1.10 | 1.30 |
| 微卸荷 | Ⅲ2 | 65 | 15.0 | 0.27 | 0.95 | 1.15 | ||
| 弱卸荷 | Ⅲ2 | 60 | 7.50 | 0.29 | 0.90 | 0.85 |
乌东德坝址区抗震设防地震烈度为Ⅶ度，100 a超越概率2%时，基岩水平向地震动峰值加速度为0.27g，基于拱梁分载反应谱法所得大坝建基面动静叠加最大主压应力为11.41 MPa，要求建基岩体的质量必须与之相适应。拱坝基础处理后应满足承载力、稳定性、抗渗性、耐久性和轮廓形状的要求，在开挖阶段，建基面开挖质量和岩体质量应达到相应要求[9]。
2.1 岩体质量要求1) 拱坝建基岩体总体利用原则：坝基中下部挖除卸荷带，建基面主要利用非卸荷岩体；中上部挖除弱卸荷带，利用微卸荷岩体或非卸荷岩体。
2) 河床建基面需挖除Ⅲ2级岩体，利用Ⅲ1级及以上岩体；两岸建基面可部分利用Ⅲ级岩体。
3) 对局部分布、性状较差的不利结构面，要求采取清基、切角、加强固结灌浆措施进行处理，使之达到建基面岩体质量要求。
2.2 岩体声波波速要求采用物探方法对建基岩体进行钻孔声波测试，分析岩体完整性，定量评价岩体质量，建基面岩体声波要求见表 2。
| 岩体质量分级 | 波速均值/(m/s) | 保证率 |
| Ⅱ | ＞5 200 | ＜4 700 m/s的不超过15% |
| Ⅲ1 | ＞4 900 | ＜4 400 m/s的不超过10% |
| 注：统计不包括松弛带波速；仅单孔声波。 | ||
通过对开挖揭露的坝肩岩体现场地质编录发现：左岸坝肩及右岸坝肩高程862 m以下建基岩体为前震旦系落雪组厚层灰岩及厚层大理岩，少量为中厚层灰岩等(图 1a，b)；右岸坝肩高程862 m以上为前震旦系会理群落雪组厚层白云岩、中厚层灰岩、中厚层石英岩等(Pt2l3-2)(图 1c—h)。
|
| a. Pt2l3-1厚层灰岩；b. Pt2l3-1厚层大理岩；c. Pt2l3-2-1厚层白云岩；d. Pt2l3-2-2厚层灰岩；e. Pt2l3-2-3厚层白云岩；f. Pt2l3-2-4中厚层石英岩；g. Pt2l3-2-5中厚层灰岩；h. Pt2l3-2-6厚层白云岩。 图 1 研究区主要岩性 Figure 1 Main lithology in the research area |
|
|
坝址区裂隙及断层总体上不发育，坝基附近亦是如此，因此，坝基岩体结构主要受层面控制。据统计，大坝建基面出露的岩体以厚层状为主，占85.2%，中厚层状占8.52%，互层状占2.43%，薄层状占3.76%，极薄层状和碎裂结构仅沿一些结构面不均匀出露，分别占0.03%和0.06%。
4 坝基岩体质量分级标准笔者根据《工程岩体分级标准》(GB/T50218-2014)[10]中岩体基本质量的分级方法，以及《水力发电工程地质勘察规范》(GB50287-2006)[8]中的有关规定，结合乌东德水电站岩体实际情况及各类原位试验及室内试验，确定了坝基岩体质量分级标准，见表 3。
| 岩体质量分级 | 代表性岩体 | 单轴饱和抗压强度/MPa | 卸荷状态 | 岩体结构 | 完整程度 | 岩体特征 | 声波速度/(m/s) |
| Ⅱ1 | 微新状 厚层灰岩、 大理岩 |
90~100 | 非卸荷 | 厚层状 | 完整—较完整 | 岩体微新、坚硬； 结构面以层面为主，裂隙轻度发育； 层面间距一般0.5~1.0 m； 岩体结构为厚层状； 层面多平直粗糙、闭合无充填； 裂隙多附钙膜；局部沿结构面溶蚀风化 |
5 200~ 6 200 |
| Ⅱ2 | 微新状 中厚层 灰岩、 大理岩、 石英岩 |
80~90 | 非卸荷 | 中厚层状 | 较完整 | 岩体微新，坚硬； 结构面以层面为主，裂隙轻度发育； 层面间距一般0.3~0.5 m； 岩体结构为中厚层状； 层面多平直粗糙、闭合无充填； 裂隙多附钙膜；局部沿结构面溶蚀风化 |
5 000~ 6 000 |
| 微新状 厚层 白云岩 A类 角砾岩 |
60~80 | 非卸荷 | 厚层状 | 较完整 | 岩体微新，坚硬； 结构面以层面为主，裂隙不发育—轻度发育(白云岩中微裂隙发育)； 层面间距一般大于0.5 m； 岩体结构为厚层状或整体状结构； 层面多平直粗糙、闭合无充填或充填1~5 mm的方解石细脉、石英细脉； 裂隙多附钙膜；局部沿结构面溶蚀风化 |
||
| Ⅲ1 | 微新状 互层、 薄层 灰岩 中厚层 白云岩 |
60~80 | 非卸荷 | 互层状等 | 较完整—完整性较差 | 岩体微新，坚硬； 结构面以层面为主，裂隙轻度发育(白云岩中微裂隙发育)； 层面间距主要为0.1~0.3 m(灰岩)或0.3~0.5 m(白云岩)； 岩体结构主要为互层状等； 层面多平直粗糙、闭合无充填； 裂隙多附钙膜；局部沿结构面溶蚀风化 |
4 800~ 6 000 |
除表中的岩体外，在坝基局部结构面附近，分布少量顺结构面、窄条状、宽度仅10~20 cm的Ⅲ2级薄层状白云岩或微风化状、胶结较好的碎裂岩，其声波速度一般为4 200~4 800 m/s，均值约为4 500 m/s。
5 坝基岩体质量评价 5.1 各级岩体声波特征在拱坝建基面开挖过程中，根据揭露地层岩性、岩体结构的不同专门布置声波检测孔，孔深20 m，两岸坝肩共布置385个孔，高程上每10 m一排，水平间距5~10 m，河床建基面布置有22个孔。通过分析这些钻孔的声波检测成果，将不同岩体质量的岩体对应的声波进行统计可知：
Ⅱ级岩体较完整，均一性较好，声波速度主要分布在5 000~6 200 m/s，平均值约5 625 m/s，波速较稳定—稳定，局部低值主要受结构面影响(图 2a)。两岸坝基Ⅱ级岩体声波值小于4 700 m/s的约占3.5%(表 4)。
|
| 图 2 岩体声波统计直方图 Figure 2 Rock mass acoustic value statistical histogram |
|
|
| 部位 | 不同波速范围所占频率/% | |||||
| ≥5 200 m/s | 5 200~5 000 m/s | 5 000~4 900 m/s | 4 900~4 800 m/s | 4 800~4 700 m/s | ＜4 700 m/s | |
| 坝基 | 88.0 | 3.4 | 2.4 | 1.6 | 1.1 | 3.5 |
| 左岸 | 89.0 | 3.4 | 2.2 | 1.5 | 1.0 | 2.9 |
| 右岸 | 87.0 | 3.6 | 2.5 | 1.7 | 1.2 | 4.0 |
| 河床 | 89.5 | 3.0 | 2.2 | 1.2 | 0.7 | 3.4 |
Ⅲ1级岩体较完整—完整性差，声波速度主要分布在4 800~6 000 m/s，平均值约5 200 m/s，波速较稳定，局部低值主要受结构面影响(图 2b)。两岸坝基Ⅲ1级岩体中声波值小于4 400 m/s的约占7.1%(表 5)。
| 部位 | 不同波速范围所占频率/% | ||||||
| ≥4 900 m/s | 4 900~4 800 m/s | 4 800~4 700 m/s | 4 700~4 600 m/s | 4 600~4 500 m/s | 4 500~4 400 m/s | ＜4 400 m/s | |
| 坝基 | 78.0 | 5.0 | 3.4 | 2.3 | 2.1 | 2.1 | 7.1 |
| 左岸 | 79.1 | 5.0 | 3.0 | 1.5 | 1.7 | 2.0 | 6.9 |
| 右岸 | 75.0 | 5.0 | 3.9 | 3.5 | 2.6 | 2.1 | 7.9 |
| 河床 | 80.2 | 1.8 | 5.4 | 3.6 | 2.6 | 3.6 | 1.8 |
在可研阶段，以勘探平洞、钻孔揭露的岩体情况和物探声波资料为基础对建基面岩体质量进行划分，成果见图 3a。Ⅱ级岩体占建基面的96.5%，Ⅲ1级岩体占建基面的3.5%。
|
| 图 3 建基面岩体质量分布图 Figure 3 Rock mass quality distribution of foundation surface |
|
|
根据前述坝基岩体质量分级标准，经分析确定后统计知，在施详阶段：乌东德水电站高拱坝建基岩体质量优良，主要为Ⅱ级岩体，占建基面的90.9%；少量为Ⅲ1级岩体，占9.0%(图 3b)；极少量的Ⅲ2级岩体沿结构面呈窄条装分布，占0.1%。
施工期揭露建基面岩体质量优良，与可研阶段成果对比，高度吻合。
5.3 各坝段岩体质量分布通过统计发现，大多数坝段岩体质量以Ⅱ级为主，9—11坝段均为Ⅱ级岩体，5、14、15坝Ⅲ1级岩体稍多(表 6)。高高程坝段拱坝推力较小，对坝肩岩体质量要求相对偏低，建基岩体质量总体与坝基受力条件匹配。
| % | ||||||||||||||||
| 岩体质量分级 | 坝段 | 合计 | ||||||||||||||
| 15 | 14 | 13 | 12 | 11 | 10 | 9 | 8 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | ||
| Ⅱ | 45.2 | 80.1 | 99.2 | 99.9 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 89.8 | 84.4 | 93.8 | 63.8 | 94.4 | 96.9 | 98.1 | 97.6 | 90.9 |
| Ⅲ1 | 53.6 | 19.9 | 0.8 | - | - | - | - | 10.2 | 15.6 | 6.2 | 36.2 | 5.6 | 3.1 | 1.9 | 1.7 | 9.0 |
| Ⅲ2 | 0.69 | - | - | 0.1 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 0.7 | 0.1 |
根据大坝建基面实际开挖揭露的岩体质量，结合施工期物探检测声波成果，加上预可和可研阶段的勘察资料，坝基不同高程、不同水平向深度的岩体质量空间分布特征见图 4。
|
| a.右岸高程988 m；b.左岸高程988 m；c.右岸高程855 m；d.左岸高程855 m；e.高程723 m。 图 4 各高程平切图 Figure 4 Sliced figure of each elevation |
|
|
从图 4可以看出，建基岩体质量与建基面出露岩体质量总体一致，岩体质量具有较好的连续性与均匀性，有利于承受拱坝推力。
6 结论1) 乌东德水电站高拱坝建基面岩体质量优良，Ⅱ级岩体占绝大多数，占90.9%，少量Ⅲ1级岩体，占9.0%，极少量的Ⅲ2级岩体沿结构面呈窄条装分布，占0.1%，与可研勘察成果高度吻合。
2) 建基面开挖后，建基面及声波检测成果中均未见到天然岸坡的卸荷特征；河床建基面总体为Ⅱ级岩体，少量为Ⅲ1级岩体，两岸建基面少量为Ⅲ级岩体。满足建基面质量要求。
3) 坝基Ⅱ级岩体声波平均值5 625 m/s，小于4 700 m/s的约占3.5%；坝基Ⅲ1级岩体平均值约5 200 m/s，波速较稳定，声波值小于4 400 m/s的约占7.1%。满足建基面岩体声波值验收要求。
4) 建基面岩体质量分布和平切图岩体质量分布显示，建基岩体质量分布较均匀，仅高高程坝基受力相对较低部位岩体质量略差，为Ⅲ1级，建基岩体可较好承受拱座推力。
| [1] |
李瓒, 陈飞, 郑建波, 等. 特高拱坝枢纽分析与重点问题研究[M]. 北京: 中国电力出版社, 2004: 1-10. Li Zan, Chen Fei, Zheng Jianbo, et al. Study on Key Problems of Super High Arch Dam[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2004: 1-10. |
| [2] |
林鹏, 王仁坤, 康绳祖, 等. 特高拱坝基础破坏、加固与稳定关键问题研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2011, 30(10): 1945-1958. Lin Peng, Wang Renkun, Kang Shengzu, et al. Study on Key Problems of Foundation Failure, Reinforcement and Stability for Super High Arch Dams[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 30(10): 1945-1958. |
| [3] |
林鹏, 康绳祖, 李庆斌, 等. 溪洛渡拱坝施工期岩体质量评价与大坝稳定分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2012, 31(10): 2042-2052. Lin Peng, Kang Shengzu, Li Qingbin, et al. Evaluation of Rock Mass Quality and Stability Analysis of Xiluodu Arch Dam Under Construction Phase[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(10): 2042-2052. DOI:10.3969/j.issn.1000-6915.2012.10.009 |
| [4] |
万宗礼, 聂德新, 杨天俊. 高拱坝建基岩体研究与实践[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2009. Wan Zongli, Nie Dexin, Yang Tianjun. Research and Practice of High Arch Dam Foundation Rock Mass[M]. Beijing: China Water & Power Press, 2009. |
| [5] |
韩爱果, 聂德新, 王小群. 高拱坝建基面选择主控指标的选取[J]. 成都理工学院学报, 2001(增刊1): 279-282. Han Aiguo, Nie Dexin, Wang Xiaoqun. Selection of the Primary Control Factor in Choosing Dam Foundation Plane of High Arch Dam[J]. Journal of Chengdu University of Technology, 2001(Sup.1): 279-282. |
| [6] |
王吉亮, 许琦, 郝文忠, 等. 乌东德水电站左岸拱座长大结构面工程地质特征及其影响研究[J]. 工程地质学报, 2016, 24(5): 823-832. Wang Jiliang, Xu Qi, Hao Wenzhong, et al. Geological Characteristics of Discontinuities at Left Abutment Slope and Impact Evaluation to Dam of Wudongde Hydropower Station[J]. Journal of Engineering Geology, 2016, 24(5): 823-832. |
| [7] |
王吉亮, 杨静, 李会中, 等. 乌东德水电站左岸拱肩槽边坡稳定性[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2013, 43(2): 528-536. Wang Jiliang, Yang Jing, Li Huizhong, et al. Stability of Slope at Left Abutment of Wudongde Hydropower Station[J]. Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2013, 43(2): 528-536. |
| [8] |
水力发电工程地质勘察规范GB50287-2006[S].北京: 中国计划出版社, 2008. Code for Hydropower Engineering Geological Investigation GB50287-2006[S]. Beijing: China Planning Publishing House, 2008. |
| [9] |
饶宏玲. 高拱坝建基岩体条件研究[J]. 长江科学院院报, 2016(1): 65-71. Rao Hongling. Study on Rock Mass in the Foundation of High Arch Dam[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2016(1): 65-71. |
| [10] |
工程岩体分级标准GB/T50218-2014[S].北京: 中国计划出版社, 2014. Standard for Engineering Classification of Rock Mass GB/T50218-2014[S].Beijing: China Planning Publishing House, 2014. |